專利名稱：一種可調節增益線性度的vco以及基于該vco的兩點調制器的制作方法
技術領域：
本發明屬于無線通信電子系統，具體涉及一種可調節增益線性度的VCO以及基于該VCO的兩點調制器。本發明尤其應用于但不限于無線通信或無線傳感系統的發射機和接收機。
背景技術：
用于無線通信和無線傳感的收發系統，通常要求低復雜度和低功耗實現。對于無線發射機，可以采用基于鎖相環(PLL)調制的方式來實現上述目標，已有的實現方式，包括 PLL開環調制、閉環調制和兩點調制。開環調制可以不受PLL環路帶寬限制而達到相對較高的數據率，復雜度也較低，但由于工藝、溫度環境等條件影響，會引起調制頻率偏移，造成調制誤差，惡化系統性能；而閉環調制由于PLL反饋環路的調節，不會受此影響，但其數據率受限于環路帶寬，不能適用于較高數據率的應用；兩點調制則結合了前述二者優點，在閉環操作的同時數據率不受環路帶寬限制，能實現較高數據率的頻率或相位調制，同時調制誤差不會被外界環境惡化。傳統的兩點調制器，如文獻CN1513225A所公開的方案，將需要被調制的信號通過兩條路徑分別施加到PLL的兩個點其一經過數字濾波器控制分頻器的分頻比；另一經過數模轉換器(DAC)和模擬濾波器控制壓控振蕩器(VCO)的振蕩頻率。前者的傳輸函數呈低通特性，而后者呈高通特性，因此理論上，兩者匹配時可以形成全通系統，從而數據率不受環路帶寬限制。圖1給出了傳統兩點調制器在具體實現時，其VCO采用的可變電容管結構。采用該傳統結構的兩點調制器，其高通和低通兩條路徑之間存在增益失配，以及元器件的制造工藝失配，都會造成調制誤差，惡化無線通信和傳感系統性能。文獻US 6515553公開了一種解決方案，是在傳統的兩點調制器基礎上增加額外的電荷泵、采樣電路和比較器構成校正電路，在每次調制開始前進行校正，進而減小失配，降低調制誤差。基于校正電路的類似方案都需要增加額外的電路，加大了系統復雜度和功耗，同時每次調制前還需要額外的校正時間，不利于連續傳輸數據的應用。因此，需要一種無需校正的兩點調制器，在不額外增加系統復雜度和功耗的基礎上減小增益失配，達到較低的調制誤差。J. Mira等人在參考文獻中提出一種VCO的可變電容管結構，如圖2所示，根據可變電容管特性，多個可變電容管的并行連接，并施以不同的直流偏置電壓，可以改善合成頻率-電壓增益的線性度。
發明內容
本發明的目的是提供一種調節增益線性度的VCO以及基于該VCO的兩點調制器， 減小上述傳統兩點調制器存在的增益誤差和元器件制造工藝失配，同時不需要額外的附加電路進行校正，即不增加系統的復雜度及功耗。本發明為了實現上述目的采用的技術方案為技術方案1 一種可調節增益線性度的VC0，即壓控振蕩器，該VCO包括可變電容電路，電感和負阻器件，所述的可變電容電路包括可變電容管、隔直電容、偏置電阻和固定電容；其中可變電容管一端連接調制控制信號，可變電容管另一端連接隔直電容和偏置電阻； 隔直電容另一端連接該VCO輸出信號；偏置電阻另一端連接直流偏置信號；固定電容與可變電容管并行連接；上述四種器件組成一組電路單元，將兩組或兩組以上電路單元并行連接，每一組電路單元連接不同的直流偏置信號。技術方案2，技術方案1進一步的通過改變不同組電路單元的可變電容管所連接的直流偏置信號的電壓值，調節VCO輸出的頻率-電壓增益特性曲線的線性度和線性范圍。技術方案3，一種可調節增益線性度和減小調制誤差的兩點調制器，該兩點調制器包括PLL電路和調制控制電路，其中，所述PLL電路包括壓控振蕩器VC0C3)、環路濾波器G)、鑒頻鑒相器和電荷泵
(5)，分頻器(6)；VCO(3)輸出頻率Rmt經過分頻器(6)分頻，與參考頻率Fref在鑒頻鑒相器和電荷泵(5)中的鑒頻鑒相器中比較頻率和相位，其結果通過鑒頻鑒相器和電荷泵(5) 中的電荷泵產生電流信號，環路濾波器(4)對所述電流信號進行低通濾波，產生環路反饋控制信號Vctl控制VCO C3)的振蕩頻率，通過該環路實現穩定的頻率合成；上述PLL電路為模擬電路，其信號也為模擬信號；所述調制控制電路包括數字控制單元⑶、數模轉換器DAC(2)、低通濾波器⑴ 和Delta Sigma調制器DSM (7)；數字控制單元(8)的用于對需要傳輸的基帶數據進行編碼和預處理，以及產生控制DAC( 和DSM(7)的數字信號以完成調制；DACQ)輸出的模擬電壓經過低通濾波器(1)的濾波后，得到調制控制信號Vmod施加到VC0C3)，與環路反饋控制信號一起作用，產生最終的調制輸出信號i^out ；同時，DSM(7)輸出的數字信號控制分頻器
(6)，令其產生與調制輸出信號相符合的分頻比；DAC(2)、低通濾波器(1)組成的路徑在系統傳輸函數上呈現低通特性，而DSM(7)、分頻器(6)組成的路徑在系統傳輸函數上呈現高通特性，通過上述兩條路徑的結合，基帶數據可以通過等效的全通傳輸函數得到調制并輸出，其數據率不受PLL環路帶寬的限制；對于不同的調制模式，用數字控制單元(8)編碼和預處理，建立符合所用調制模式的基帶數據和最終調制輸出信號間的正確對應關系；其中，所述的VC0C3)，即壓控振蕩器，其是基于電感電容諧振腔結構的VC0，其中所述的VC0(3)中的環路反饋控制可變電容管(9)、調制控制可變電容管(10)和電感(11) 構成電感電容諧振腔結構，同時負阻器件(12)提供負阻，其中，負阻器件(12)可為有源器件，形成壓控振蕩器；為滿足PLL進行頻率合成和兩點調制的需要，所述的VC0C3)的可變電容管由兩個部分組成，其中環路反饋控制可變電容管(9)與所述的環路濾波器(4)連接， 受PLL電路的環路反饋控制電壓信號Vctl控制，用于設定固定的頻率頻道，合成穩定的頻率；調制控制可變電容管(10)與所述的低通濾波器(1)連接，受調制控制信號Vmod控制， 用于實現基帶數據的調制傳輸；受環路反饋控制可變電容管和調制控制可變電容管的共同作用，VCO(3)的輸出Rmt包含了基帶信號的調制信息；其中，所述的VC0(3)的調制控制可變電容管(10)采用如技術方案1或2所述的可變電容電路結構。
本發明的基本原理如下本發明的兩點調制器包括PLL電路和調制控制電路，其中PLL電路的VC0，由兩部分控制環路反饋控制部分用于設定固定的頻率頻道；調制控制部分用于兩點調制。本發明的VCO調制控制部分采用下述可變電容管(varactor)結構以達到發明目的將兩組或兩組以上可變電容管并行連接，并施以不同直流偏置電壓，通過改變每一組的可變電容管的直流偏置電壓值可以調節VCO的頻率-電壓增益的線性度，并擴大線性增益的范圍；同時對每一組可變電容管并行連接一個固定電容，降低工藝失配引起的可變電容管失配。本發明的兩點調制器所述PLL電路包括VC0、分頻器、PFD和電荷泵、環路濾波器。 VCO輸出頻率經過分頻器分頻，與參考頻率通過PFD比較頻率和相位，其結果通過電荷泵產生電流信號，環路濾波器對所述電流信號進行低通濾波，產生反饋環路控制信號控制VCO 的振蕩頻率，通過該環路實現穩定的頻率合成。上述PLL電路為模擬電路，其信號也為模擬信號。本發明的兩點調制器所述調制控制電路可包括數字控制單元、DAC、低通濾波器和DSM。數字控制單元的作用在于但不限于對需要傳輸的基帶數據進行編碼和預處理，以及產生控制DAC和DSM的數字信號以完成調制。DAC輸出的模擬電壓經過低通濾波器，作為調制控制信號施加到前述PLL電路中的VC0，產生調制輸出信號；同時，DSM輸出的數字信號控制前述PLL電路中的分頻器，產生與調制輸出信號相符合的分頻比。通過上述兩條路徑，基帶數據得到調制并輸出。本發明所述可變電容管結構能達到發明目的的機理在于每一組可變電容管只在其直流偏置電壓附近較小范圍內呈線性增益特性，而在其他范圍內則由于可變電容管自身特性不再呈現線性增益。通過將偏置在不同直流電壓下的多組可變電容管并行連接，其最終等效電容可令VCO的頻率-電壓增益呈現不同的線性度和線性范圍，從而達到使本發明的兩點調制器的VCO調制控制部分的頻率-電壓增益線性度可調節。同時，對每一組可變電容管并行連接一個固定電容，其與可變電容管的等效電容值小于沒有連接固定電容的可變電容管和單獨的固定電容，因而要達到相同的等效電容值，可變電容管可以采用較大尺寸。根據可變電容管尺寸越大，失配越小，反之尺寸越小，失配越大的制造工藝特性，采用本發明所述結構的可變電容管做VCO的調制控制部分，還可以減小工藝失配引起的可變電容管失配。本發明的有益效果在于，采用所述結構的兩點調制器，一方面可提高VCO調制控制部分的頻率-電壓增益線性度和線性范圍，減小由于該增益非線性引起的兩條調制路徑的增益失配；另一方面可減少VCO調制控制部分可變電容管制造工藝造成的失配。通過對上述兩個方面的改善，相比傳統的兩點調制器，本發明可有效減少調制誤差，提高數據通信和傳輸性能，同時相比較需要額外復雜附加電路的校正結構，本發明沒有明顯增加設計復雜度和功耗。
圖1是VCO可變電容管的傳統結構示意圖；圖2是VCO可變電容管的一種結構示意圖3是本發明實施例的兩點調制器的結構框圖；圖4是圖3中VCO的示意性框圖；圖5是根據本發明實施例，實現圖4中VCO調制控制部分可變電容管的一種結構示意圖；圖6是采用圖1對比采用圖5可變電容管結構做調制控制部分的VCO所呈現的頻率-電壓增益特性曲線；其中，虛線表示的傳統結構可變電容管，其增益曲線呈非線性；實線表示的本發明的可變電容管結構，其增益曲線在圖示調制控制電壓Vmod范圍內呈線性。圖中，1為低通濾波器；2為DAC ；3為VCO ；4為環路濾波器；5為PFD和電荷泵；6 為分頻器；7為DSM ；8為數字控制單元；9為環路反饋控制可變電容管；10為調制控制可變電容管；11為電感；12為負阻器件；13、14為一組偏置電阻；15、18為一組隔直電容；16、17 為一組可變電容管；19、22為另一組隔直電容；20、21另一組可變電容管；23、M為另一組偏置電阻；25為固定電容；26為另一固定電容；
具體實施例方式以下參照附圖詳細地描述本發明的具體實施方式
。圖3是本發明實施例的兩點調制器的結構框圖。本發明的兩點調制器包括PLL電路和調制控制電路。如圖3所示，所述PLL電路包括壓控振蕩器VCO 3、環路濾波器4、PFD和電荷泵 (CP) 5，分頻器6。VCO 3輸出頻率Rnit經過分頻器6分頻，與參考頻率Fref在PFD 5中比較頻率和相位，其結果通過電荷泵5產生電流信號，環路濾波器4對所述電流信號進行低通濾波，產生環路反饋控制信號Vctl控制VCO 3的振蕩頻率，通過該環路實現穩定的頻率合成。上述PLL電路為模擬電路，其信號也為模擬信號。如圖3所示，所述調制控制電路可包括數字控制單元8、DAC 2、低通濾波器1和 DSM7。數字控制單元8的作用在于但不限于對需要傳輸的基帶數據進行編碼和預處理，以及產生控制DAC 2和DSM 7的數字信號以完成調制。DAC 2輸出的模擬電壓經過低通濾波器1的濾波后，得到調制控制信號Vmod施加到VCO 3，與環路反饋控制信號一起作用，產生最終的調制輸出信號i^out ；同時，DSM 7輸出的數字信號控制分頻器6，令其產生與調制輸出信號相符合的分頻比。DAC 2、低通濾波器1組成的路徑在系統傳輸函數上呈現低通特性，而DSM 7、分頻器6組成的路徑在系統傳輸函數上呈現高通特性，通過上述兩條路徑的結合，基帶數據可以通過等效的全通傳輸函數得到調制并輸出，其數據率不受PLL環路帶寬的限制。對于不同的調制模式，諸如調頻、調相等，可用數字控制單元8編碼和預處理，建立符合所用調制模式的基帶數據和最終調制輸出信號間的正確對應關系。圖4是圖3中所示VCO 3的示意性框圖，是基于電感電容諧振腔(LC-Tank)結構的VC0，其中環路反饋控制可變電容管9、調制控制可變電容管10和電感11構成LC-Tank， 同時負阻器件12提供負阻，其中，負阻器件12可為有源器件，形成壓控振蕩器。為滿足PLL 進行頻率合成和兩點調制的需要，本發明所述VCO 3的可變電容管由兩個部分組成，如圖4 所示，其中環路反饋控制可變電容管9與圖3中的環路濾波器4連接，受PLL電路的環路反饋控制電壓信號Vctl控制，用于設定固定的頻率頻道，合成穩定的頻率；調制控制可變電容管10與圖3中的低通濾波器1連接，受調制控制信號Vmod控制，用于實現基帶數據的調制傳輸。受環路反饋控制可變電容管和調制控制可變電容管的共同作用，VCO 3的輸出 Fout包含了基帶信號的調制信息。圖1為圖4中調制控制可變電容管的傳統實現結構，由一組可變電容管16、17，一組偏置電阻13、14和一組隔直電容15、18組成，直流偏置電壓Vref和調制控制信號Vmod 施加在一組可變電容管16、17兩端，形成與二者電壓差相對應的電容值。圖1所示可變電容管的傳統實現結構，由于可變電容管自身電容-電壓特性，應用到圖3和圖4的VCO 3中時，其輸出頻率-控制電壓增益曲線只能在非常小的范圍內呈現線性，而在整個調制控制電壓工作范圍內該曲線呈非線性，即增益隨控制電壓變化，這會增加兩點調制高通和低通兩條路徑的增益失配，惡化調制性能。為此，根據J. Mira等人的參考文獻，圖2給出了一種調制控制可變電容管結構，用于圖3和圖4的VCO 3，可調節頻率-控制電壓增益線性度。如圖2所示，一組可變電容管 16、17，一組偏置電阻13、14和一組隔直電容15、18組成第一組可變電容管電路，另一組可變電容管20、21，另一組偏置電阻23J4和另一組隔直電容19、22組成第二組可變電容管電路，將這兩組可變電容管電路并行連接，其控制電壓Vmod均連接到圖3中的低通濾波器1， 直流偏置電壓分別由Vref 1和Vref 2提供，并且Vref 1和Vref 2的電壓值不同。根據可變電容管自身特性，第一組可變電容管電路和第二組可變電容管電路中的每一組可變電容管電路只在其直流偏置電壓附近較小范圍內呈線性增益特性，而在其他范圍內不再呈現線性增益。根據圖2所示將第一組可變電容管電路和第二組可變電容管電路兩組可變電容管電路并行連接，將Vref 1和Vref2偏置在不同直流電壓值時，最終組合等效出的總電容，可以令VCO的輸出頻率在更大的控制電壓范圍內呈現線性，即得到恒定的頻率-電壓增益。對于不同的Vref 1和Vref2組合，頻率-電壓增益的線性程度不同，即可通過Vref 1和Vref2電壓值的設定調節頻率-電壓增益的線性度。圖5給出本發明的一種調制控制可變電容管結構，用于圖3和圖4的VCO 3，在可以調節頻率-控制電壓增益線性度的同時，還可減小可變電容管的工藝失配。該結構在圖 2所示可變電容管結構基礎上，將一組可變電容管16、17與固定電容25并行連接，另一組可變電容管20、21與另一固定電容沈并行連接，如圖5所示。根據電容并行連接性質，等效得到的總電容值小于單獨的一組可變電容管16、17(20、21)的電容值和單獨的固定電容 25 06)，因此為得到所需電容值，與固定電容并行連接后的一組可變電容管16、17(20、21) 可以采用更大的尺寸，從而減小由于制造工藝造成的失配。圖6給出了圖1所示傳統可變電容管結構和圖5所示本發明的可變電容管結構， 用作前述兩點調制器VCO的調制控制可變電容管，所呈現的頻率-電壓增益特性曲線。如圖6所示，虛線表示的傳統結構可變電容管，其增益曲線呈非線性；實線表示的本發明的可變電容管結構，其增益曲線在圖示調制控制電壓Vmod范圍內呈線性，表明增益不隨調制控制電壓Vmod改變。應當指出，圖5給出的根據本發明實施例的調制控制可變電容管結構，在實際實施中，并不限于兩組可變電容管電路的并行連接，還可進行更多組的并行連接。此外，固定電容與可變電容管的并行連接方式，可以采用但并不局限于圖5所示方式。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種可調節增益線性度的VC0，即壓控振蕩器，該VCO包括可變電容電路，電感和負阻器件，其特征在于所述的可變電容電路包括可變電容管、隔直電容、偏置電阻和固定電容；其中可變電容管一端連接調制控制信號，可變電容管另一端連接隔直電容和偏置電阻； 隔直電容另一端連接該VCO輸出信號；偏置電阻另一端連接直流偏置信號；固定電容與可變電容管并行連接；上述四種器件組成一組電路單元，將兩組或兩組以上電路單元并行連接，每一組電路單元連接不同的直流偏置信號。
2.如權利要求1所述的一種可調節增益線性度的VC0，其特征在于通過改變不同組電路單元的可變電容管所連接的直流偏置信號的電壓值，調節VCO輸出的頻率-電壓增益特性曲線的線性度和線性范圍。
3.一種可調節增益線性度和減小調制誤差的兩點調制器，其特征在于該兩點調制器包括PLL電路和調制控制電路，其中，所述PLL電路包括上述的壓控振蕩器VC0C3)、環路濾波器(4)、鑒頻鑒相器和電荷泵(5)，分頻器(6)；VCO (3)輸出頻率Rmt經過分頻器(6)分頻，與參考頻率Fref在鑒頻鑒相器和電荷泵(5)中的鑒頻鑒相器中比較頻率和相位，其結果通過鑒頻鑒相器和電荷泵(5) 中的電荷泵產生電流信號，環路濾波器(4)對所述電流信號進行低通濾波，產生環路反饋控制信號Vctl控制VCO C3)的振蕩頻率，通過該環路實現穩定的頻率合成；上述PLL電路為模擬電路，其信號也為模擬信號；所述調制控制電路包括數字控制單元(8)、數模轉換器DACQ)、低通濾波器(1)和 Delta Sigma調制器DSM(7)；數字控制單元(8)的用于對需要傳輸的基帶數據進行編碼和預處理，以及產生控制DAC( 和DSM(7)的數字信號以完成調制；DACQ)輸出的模擬電壓經過低通濾波器(1)的濾波后，得到調制控制信號Vmod施加到VC0C3)，與環路反饋控制信號一起作用，產生最終的調制輸出信號i^out ；同時，DSM(7)輸出的數字信號控制分頻器(6)，令其產生與調制輸出信號相符合的分頻比；DAC(2)、低通濾波器(1)組成的路徑在系統傳輸函數上呈現低通特性，而DSM(7)、分頻器(6)組成的路徑在系統傳輸函數上呈現高通特性，通過上述兩條路徑的結合，基帶數據可以通過等效的全通傳輸函數得到調制并輸出，其數據率不受PLL環路帶寬的限制；對于不同的調制模式，用數字控制單元(8)編碼和預處理，建立符合所用調制模式的基帶數據和最終調制輸出信號間的正確對應關系；其中，所述的VC0C3)，即壓控振蕩器，其是基于電感電容諧振腔結構的VC0，其中所述的VC0(3)中的環路反饋控制可變電容管(9)、調制控制可變電容管(10)和電感(11)構成電感電容諧振腔結構，同時負阻器件(12)提供負阻，其中，負阻器件(12)可為有源器件，形成壓控振蕩器；為滿足PLL進行頻率合成和兩點調制的需要，所述的VC0(3)的可變電容管由兩個部分組成，其中環路反饋控制可變電容管(9)與所述的環路濾波器(4)連接，受PLL 電路的環路反饋控制電壓信號Vctl控制，用于設定固定的頻率頻道，合成穩定的頻率；調制控制可變電容管(10)與所述的低通濾波器(1)連接，受調制控制信號Vmod控制，用于實現基帶數據的調制傳輸；受環路反饋控制可變電容管和調制控制可變電容管的共同作用， VCO(3)的輸出Rmt包含了基帶信號的調制信息；其中，所述的VC0(3)的調制控制可變電容管(10)采用權利要求1或2所述的可變電容電路結構。
全文摘要
本發明提供一種可調節增益線性度的VCO以及基于該VCO的兩點調制器，所述兩點調制器基于鎖相環(PLL)電路，其中壓控振蕩器(VCO)的控制電壓由環路反饋控制信號和調制控制信號兩部分組成。對于調制控制信號部分，通過并行連接兩組或兩組以上可變電容管(Varactor)，并施以不同直流偏置電壓，由于可變電容管自身特性可調節VCO的頻率-電壓增益線性度，減小調制增益失配；同時對每一組可變電容管并行連接一個固定電容，可降低可變電容管的制造工藝失配。通過上述電路結構，可減小兩點調制器的調制誤差。
文檔編號H03L7/099GK102332912SQ201110303330
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者林福江, 王陳鑾, 陳楠 申請人:中國科學技術大學